Кафедра біомедичної інженерії

[BSF 24] Біофізика

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти	Перший (бакалаврський)
Галузь знань	12 - Інформаційні технології
Спеціальність	122 - Комп’ютерні науки
Освітня програма	Всі ОП
Статус дисципліни	Вибіркова (Ф-каталог)
Форма здобуття вищої освіти	Очна
Рік підготовки, семестр	Доступно для вибору починаючи з 3-го курсу, осінній семестр
Обсяг дисципліни	4 кред. (Лекц. 28 год, Практ. год, Лаб. 26 год, СРС. 66 год )
Семестровий контроль/контрольні заходи	Залік
Розклад занять	https://rozklad.kpi.ua
Мова викладання	Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів	Лекц.: Орел В. Е., Лаб.: Орел В. Б., СРС.: Орел В. Е.
Розміщення курсу

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Основною метою навчальної дисципліни «Біофізика» є формування у студентів здатності розв’язувати фундаментальні задачі й практичні проблеми фізичних та фізико-хімічних властивостей стосовно біології та медицини, застосовуючи базові теорії, фізичні, фізико-хімічні та фізико-математичні методи і комп`ютерні технології. Навчання з дисципліни «Біофізика» здійснюється на основі студентоцентрованого підходу та стратегії взаємодії викладача та студента з метою засвоєння студентами матеріалу та розвитку у них практичних навичок.

Предметом вивчення навчальної дисципліни «Біофізика» є явища живої природи, які відбуваються на всіх рівнях її організації, починаючи від квантового та молекулярного рівня і закінчуючи біосферою у цілому; сучасні інформаційні технології, що використовуються при моделюванні медико-біологічних систем; біоелектромагнітні процеси, які виникають під час функціонування клітин та біологічних систем у цілому – тобто комплексу взаємопов'язаних систем на різних рівнях біологічної ієрархії, з яких формуються базові складові біомедичної інженерії для удосконалення результатів процесу інновації і системи сервісу клінічної інженерії та медичного приладобудування.

Відповідно до освітньо-професійних програм (ОПП) першого «бакалаврського» рівня вищої освіти після вивчення дисципліни студенти мають набути наступних компетентностей:

Інтегральна компетентність (ІК) (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/75/2022 від 15.02.2022р.):

ІК - Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми у галузі комп’ютерних наук або у процесі навчання, що передбачає застосування теорій та методів комп’ютерних наук, інформаційних технологій і характеризується комплексністю та невизначеністю умов

Загальні компетентності (ЗК) (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/75/2022 від 15.02.2022р.):

ЗК 1 - Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу

ЗК 6 - Здатність вчитися і оволодівати сучасними знаннями

ЗК 7 - Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел

ЗК 8 - Здатність генерувати нові ідеї (креативність)

ЗК 11 - Здатність приймати обґрунтовані рішення

ЗК 15 - Здатність зберігати та примножувати моральні, культурні, наукові цінності і досягнення суспільства на основі розуміння історії та закономірностей розвитку предметної області, її місця у загальній системі знань про природу і суспільство та у розвитку суспільства, техніки і технологій, використовувати різні види та форми рухової активності для активного відпочинку та ведення здорового способу життя.

Фахові компетентності (ФК) (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/75/2022 від 15.02.2022р.):

ФК 3 - Здатність до логічного мислення, побудови логічних висновків, використання формальних мов і моделей алгоритмічних обчислень, проектування, розроблення й аналізу алгоритмів, оцінювання їх ефективності та складності, розв’язності та нерозв’язності алгоритмічних проблем для адекватного моделювання предметних областей і створення програмних та інформаційних систем.

ФК 6 - Здатність до системного мислення, застосування методології системного аналізу для дослідження складних проблем різної природи, методів формалізації та розв’язування системних задач, що мають суперечливі цілі, невизначеності та ризики.

ФК 7 - Здатність застосовувати теоретичні та практичні основи методології та технології моделювання для дослідження характеристик і поведінки складних об'єктів і систем, проводити обчислювальні експерименти з обробкою й аналізом результатів.

ФК 11 - Здатність до інтелектуального аналізу даних на основі методів обчислювального інтелекту включно з великими та погано структурованими даними, їхньої оперативної обробки та візуалізації результатів аналізу в процесі розв’язування прикладних задач.

ФК 18 - Здатність проектувати та реалізовувати програмне забезпечення для вирішення різноманітних задач в біології та медицині із застосуванням різних мов програмування та сучасних бібліотек крос-платформного програмування, проводити тестування на декількох апаратних платформах, впроваджувати і підтримувати роботу інформаційних систем на сучасних платформах.

ФК 20 - Здатність до застосування методів моделювання чітких та нечітких моделей біологічних процесів та систем, методів чисельно-аналітичного моделювання.

ФК 21 - Здатність проектувати елементи математичного забезпечення для обробки біомедичних даних та сигналів в інформаційних системах.

ФК 22 - Здатність до застосування методів штучного інтелекту для комп’ютерного вирішення когнітивних задач, в умовах неповноти, неточності та суперечливості знань про об’єкт дослідження, а також для розв’язання задач без чіткого заданого алгоритму.

Програмними результатами навчання (ПР) після вивчення дисципліни «Біофізика» є (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/75/2022 від 15.02.2022р.):

ПР 18 - Досліджувати нелінійні динамічні саморганізованістю та саморозвитком.

ПР 20 - Застосовувати та удосконалювати підходи до моделювання та оптимізації станів медичних та біологічних об'єктів, створювати та удосконалювати чіткі та нечіткі математичні моделі і програмні системи.

ПР 21 - Використання теорії біомедичних сигналів для розрахунку вихідних сигналів дискретних систем з використанням різницевих рівнянь та імпульсних характеристик, отримання базисів та коефіцієнтів розкладу сигналів, кореляційного аналізу сигналів, фільтрації дискретних сигналів.

ПР 22 - Використовувати методи біоінформатики для вирівнювання послідовностей, пошуку генів, збірки геномів, вирівнювання структур білків передбачення структур білків, передбачення експресії генів та білок-білкової взаємодії та реконструювання процесу еволюції.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Дисципліна «Біофізика» має міждисциплінарний характер. Пререквізити – навчальна дисципліна викладається в 5-му семестрі 3-го курсу навчання з усіх ОПП першого (бакалаврського) рівня вищої освіти. Основою вивчення навчальної дисципліни відповідно до свого предмету є знання з інших навчальних дисциплін: фізики, біохімії, математики тощо. За структурно-логічною схемою програми підготовки фахівця дисципліна «Біофізика» тісно пов’язана з іншими дисциплінами загальної та професійної підготовки: «Біомедична механіка», «Основи клінічної інженерії та радіології», «Біотермодинаміка та масоперенос». Їй безпосередньо передує дисципліна «Фізика».

Постреквізити – дана навчальна має міждисциплінарні зв’язки. Отримані практичні навички та засвоєні теоретичні знання під час вивчення навчальної дисципліни «Біофізика» можна використовувати у подальшому під час опанування навчальних дисциплін з циклу професійної підготовки та з вибіркових дисциплін: «Лікувальна медична техніка», «Розробка та експлуатація фізіотерапевтичних медичних приладів», «Лікувально-діагностичні комплекси на основі біофотонних перетворювачів», «Проектування медичних інформаційних систем», а також при проходженні переддипломною практики та при дипломному проектуванні.

3. Зміст навчальної дисципліни

Основні розділи та теми, що розглядатимуться в процесі вивчення курсу:

Розділ 1. Основні положення та методи біофізики. Молекулярна біофізика та біофізика складних систем

Тема 1.1. Предмет і методи біофізики

Тема 1.2.Термодинаміка біологічних процесів

Тема 1.3. Молекулярна біофізика

Тема 1.4. Основи математичної біофізики

Тема 1.5. Біофізичні основи медичних нанотехнологій та нанопристроїв

Розділ 2. Нанобіофізика в онкології

Тема 2.1. Базові основи терапії з використанням нанокомплексів для лікування злоякісних пухлин

Тема 2.2. Нанотехнології магнітохімічної терапії злоякісних пухлин

Тема 2.3. Вітчизняні промислові розробки апаратів для магнітохімічної нанотерапії злоякісних пухлин

Розділ 3. Біофізика організму людини.

Тема 3.1. Фізичні основи гемодинаміки

Тема 3.2. Біоакустика

Тема 3.3. Фотобіологічні процеси. Фізичні основи зору

Модульна контрольна робота

Тема 3.4. Електромагнітні явища в живих системах. Біофізичні аспекти впливу електромагнітного опромінювання

4. Навчальні матеріали та ресурси

Базова література:

1. Сливко Е.І., Мельнікова О.З., Іванченко О.З., Біляк Н.С.Медична і біологічна фізика: «Медицина» - Запоріжжя, 2018.- 291 с.

2. В. Г. Кнігавко, О. В. Зайцева, М. А. Бондаренко. Основи біофізики та медична апаратура : навчальний посібник для студентів медичних університетів. – Харків : ХНМУ, 2019. – 177 с.

3. Посудін Ю.І. Біофізика: підручник. К.: Видавництво Ліра-К, 2017. – 472 с.

4. Терещенко М. Ф., Тимчик Г. С., Яковенко І. О.. Біофізика : підручник – Київ : КПІ ім. І. Сікорського : Політехніка, 2019. – 444 с.

5. С.В. Погорєлов, Е.О. Ромоданова, Р.Р. Османов, В.О. Тіманюк. Медична та біологічна фізика : підруч. для студентів закл. вищ. освіти /. — Харків : НФаУ: Золоті сторінки, 2019. — 264 с.

Додаткова література (електроні ресурси):

1. Чалий О.В. Медична і біологічна фізика/ О.В. Чалий, Б.Т. Агапов, Я.В. Цехмістер [та ін.]. – Вінниця : Нова Книга, 2017. – 528 с.

2. Антонюк В.С., Бондаренко М.О. та ін. Біофізика і біомеханіка — К.: НТУУ «КПІ», 2012. — 344 с.

3. Швець Є.Я., О.Ю. Небеснюк, З.А. Ніконова, А.О. Ніконова. Біофізика. Навч.посібн./ Запоріжжя.- Видавництво ЗДІА, 2008. - 306 с.

4. Орел В.Э., Щепотин И.Б., Смоланка И.И. и др. Радиочастотная гипертермия злокачественных новообразований, нанотехнологии и динамический хаос. Тернополь: Тернопольский гос. мед. ун-т им. И.Я. Горбачевского, 2012. -447с.

5. Методичні вказівки до роботи студентів з вивчення дисципліни «Основи біофізики та біомеханіки людини», Вінниця: ВНТУ, 2017.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Для вивчення дисципліни заплановано проведення лекційних та лабораторних занять, під час яких заплановано виконання модульної контрольної роботи та домашньої контрольної роботи.

Під час вивчення навчального матеріалу застосовуються наступні методи навчання:

Лекційні заняття проходять з використанням пояснювально-ілюстративного методу, методу проблемного викладу, інтерактивного методу під час лекційних занять, який використовується для встановлення діалогу з аудиторією.

Лабораторні роботи проходять з використанням:

1) Репродуктивного методу, завдяки якому студенти закріплюють вивчений теоретичний матеріал та навчаються використовувати його в конкретних задачах.

2) Частково-пошукового, або евристичного методу, який навчає пошуку вірних шляхів та методів розв’язування задач.

3) Інтерактивного методу, який використовується під час лабораторних занять для залучення студентів у процеси розв’язання задач та теоретичні факти, які для цього використовуються.

4) Презентація та обговорення отриманих результатів передбачає використання проблемного та інтерактивного методів навчання.

5) Математичного моделювання, який використовується під час лабораторних занять.

№ з/п	Тема	Програмні результати навчання	Основні завдання
№ з/п	Тема	Програмні результати навчання	Контрольний захід	Термін виконання
1.	Застосування знань з біології, хімії та математики для розуміння предмету і методів біофізики.	ПР 18 ПР 22	Лабораторна робота 1	3-й тиждень
2.	Молекулярна біофізика з застосуванням методів досліджень.	ПР 18 ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 2	4-й тиждень
3.	Термодинаміка біологічних процесів з застосуванням методів досліджень.	ПР 18 ПР 20 ПР 22	Лабораторна робота 3	5-й тиждень
4.	Основи математичної біофізики з використанням програмного забезпечення.	ПР 18 ПР 20 ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 4	6-й тиждень
5.	Сучасні методи перевірки на базі біофізичних основ медичних нанотехнологій та нанопристроїв.	ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 5	8-й тиждень
6.	Фізичні основи гемодинаміки з елементами розуміння математичного моделювання кінетичних процесів	ПР 20 ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 6	9-й тиждень
7.	Модульна контрольна робота (МКР)	ІК ПР 18 ПР 22	Написання МКР	10-й тиждень
8.	Домашня контрольна робота (ДКР)	ІК ПР 18 ПР 20 ПР 21 ПР 22	Оформлення та надсилання роботи	11-й тиждень
9.	Біоакустика. Ознайомлення з інструментальними засобами для проведення експериментальних досліджень.	ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 7	12-й тиждень
10.	Фотобіологічні процеси на основі розуміння біоінженерних основ. Фізичні основи зору.	ПР 20 ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 8	13-й тиждень
11.	Електромагнітні явища в живих системах. Біофізичні аспекти впливу електромагнітного опромінювання та практичні підходи до контролю та аналізу.	ПР 18 ПР 20 ПР 21 ПР 22	Лабораторна робота 8	13-14-й тиждень

6. Самостійна робота студента

Одним з основних видів семестрового контролю під час опанування навчальної дисципліни «Біофізика» виконання домашньої контрольної роботи (ДКР). ДКР виконується згідно з вимогами, у термін, зазначений викладачем.

Основна ціль ДКР – вирішення практичної задачі з використанням засвоєного на лекціях та самостійно теоретичного матеріалу, та практичних навичок, отриманих на лабораторних роботах. Студент може писати ДКР тільки на погоджену з викладачем тему.

Політика та контроль

7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Відвідування занять

Відвідування лекційних занять не є обов’язковим. Відвідування лабораторних занять є бажаним, оскільки на них відбувається написання експрес-контрольних робіт / тестових завдань, а також відбувається захист лабораторних робіт.

Система оцінювання орієнтована на отримання балів за активність студента, а також виконання завдань, які здатні розвинути практичні уміння та навички.

Пропущені контрольні заходи

Пропущені контрольні заходи (захист лабораторних робіт) обов’язково відпрацьовуються на наступних заняттях за умови виконання завдання, яке заплановано на поточному занятті, або на консультаціях.

Пропущення написання модульної контрольної роботи та експрес-контрольних не відпрацьовуються.

Домашня контрольна робота (ДКР), яка подається на перевірку з порушенням терміну виконання оцінюється зі зменшенням кількості вагових балів.

Порушення термінів виконання завдань та заохочувальні бали

Заохочувальні бали		Штрафні бали*
Критерій	Ваговий бал	Критерій	Ваговий бал
Вдосконалення лабораторних робіт	1 бал (за кожну лабораторну роботу)	Несвоєчасне виконання та захист лабораторної роботи	Від -0,5 бали до -5 балів (залежить від терміну здачі)
Проходження дистанційних курсів за темами, які узгоджені з викладачами	5 балів	Несвоєчасне виконання та здача ДКР	Від -2 балів до -20 балів (залежить від терміну здачі)
Оформлення наукової роботи для участі у конкурсі студентських наукових робіт	10 балів
Написання тез, статті, участь у міжнародних, всеукраїнських та/або інших заходах або конкурсах за тематикою навчальної дисципліни	5 балів

^{* якщо контрольний захід був пропущений з поважної причини (хвороба, яка підтверджена довідкою встановленого зразку) – штрафні бали не нараховуються.}

Академічна доброчесність

Політика та принципи академічної доброчесності визначені у розділі 3 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code.

Норми етичної поведінки

Норми етичної поведінки студентів і працівників визначені у розділі 2 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code.

Процедура оскарження результатів контрольних заходів

Студенти мають можливість підняти будь-яке питання, яке стосується процедури контрольних заходів та очікувати, що воно буде розглянуто згідно із наперед визначеними процедурами.

Студент має право оскаржити результати контрольного заходу згідно затвердженого положення Про апеляції в КПІ імені Ігоря Сікорського (затверджено наказом №НОН/128/2021 від 20.05.2021 р.) - https://osvita.kpi.ua/index.php/node/182

Інклюзивне навчання

Навчальна дисципліна може викладатися для більшості студентів з особливими освітніми потребами, окрім студентів з серйозними вадами зору, які не дозволяють виконувати завдання за допомогою персональних комп’ютерів, ноутбуків та/або інших технічних засобів.

Дистанційне навчання

Дистанційне навчання відбувається через Платформу дистанційного навчання «Сікорський».

Дистанційне навчання через проходження додаткових он-лайн курсів за певною тематикою допускається за умови погодження зі студентами. У разі, якщо невелика кількість студентів має бажання пройти он-лайн курс за певною тематикою, вивчення матеріалу за допомогою таких курсів допускається, але студенти повинні виконати всі завдання, які передбачені у навчальній дисципліні.

Список курсів пропонується викладачем після виявлення бажання студентами (оскільки банк доступних курсів поновлюється майже щомісяця).

Студент надає документ, що підтверджує проходження дистанційного курсу (у разі проходження повного курсу) або надає виконані практичні завдання з дистанційного курсу та за умови проходження усної співбесіди з викладачем за пройденими темами може отримати оцінки за контрольні заходи, які передбачені за вивченими темами (експрес-контрольні / тестові завдання, лабораторні роботи).

Виконання лабораторних робіт, а також виконання ДКР, здійснюється під час самостійної роботи студентів у дистанційному режимі (з можливістю консультування з викладачем через електронну пошту, соціальні мережі).

Навчання іноземною мовою

Навчання англійською мовою здійснюється лише для студентів-іноземців.

За бажанням студентів, допускається вивчення матеріалу за допомогою англомовних онлайн-курсів за тематикою, яка відповідає тематиці конкретних занять.

8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Поточний контроль: здійснюється під час навчальних занять і має на меті перевірити рівень підготовки студентів до навчальних занять. Під час лабораторних робіт проводиться виконання та захист, а також експрес-контроль / тестові завдання. Модульна контрольна робота. Виконання та захист індивідуального завдання (ДКР).

Календарний контроль: провадиться двічі на семестр як моніторинг поточного стану виконання вимог силабусу. Є два можливих результати календарного контролю: атестований (а) та неатестований (н/а). Результат залежить від кількості набраних балів на момент проведення календарного контролю. В РСО зазначається необхідна кількість балів для атестації під час першого та другого календарного контролю.

Система оцінювання (поточний контроль):

№ з/п	Контрольний захід	%	Ваговий бал	Кіл-ть	Всього
1.	Експрес-контрольні роботи / тестові завдання	28	2	14	28
2.	Виконання та захист лабораторних робіт	40	5	8	40
3.	Модульна контрольна робота	12	12	1	12
4.	Домашня контрольна робота	20	20	1	20
5.	Залікова робота^{^[1]}	80	80	1	80
	Всього				100

Здобувач отримує позитивну залікову оцінку за результатами роботи в семестрі, якщо має підсумковий рейтинг за семестр не менше 60 балів та виконав умови допуску до семестрового контролю, які визначені РСО.

Зі здобувачами, які виконали всі умови допуску до заліку та мають рейтингову оцінку менше 60 балів, а також з тими здобувачами, хто бажає підвищити свою рейтингову оцінку, на останньому за розкладом занятті з дисципліни в семестрі викладач проводить семестровий контроль у вигляді залікової контрольної роботи або співбесіди.

Після виконання залікової контрольної роботи, якщо оцінка за залікову контрольну роботу більша ніж за рейтингом, здобувач отримує оцінку за результатами залікової контрольної роботи.

Якщо оцінка за залікову контрольну роботу менша ніж за рейтингом, застосовується «жорстка» РСО – попередній рейтинг здобувача (за винятком балів за семестрове індивідуальне завдання) скасовується і він отримує оцінку з урахуванням результатів залікової контрольної роботи. Цей варіант формує відповідальне ставлення здобувача до прийняття рішення про виконання залікової контрольної роботи, змушує його критично оцінити рівень своєї підготовки та ретельно готуватися до заліку.

[1] Враховується в суму рейтингу разом з оцінкою за ДКР у разі, якщо студент не набрав 60 балів за семестр або він хоче покращити свою оцінку.

Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою

Кількість балів	Оцінка
100-95	Відмінно
94-85	Дуже добре
84-75	Добре
74-65	Задовільно
64-60	Достатньо
Менше 60	Незадовільно
Не виконані умови допуску	Не допущено

9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

НПП можуть вносити уточнення до змістовних модулів, РСО та завдань до МКР, ДКР та експрес-контролів з урахуванням власних методичних напрацювань та навколишньої ситуації.

Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

Навчальна та робоча програми дисципліни, силабус, навчальний посібник (електронне видання).

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Орел В. Е.; Орел В. Б.;
Ухвалено кафедрою БМІ (протокол № 1 від 31.08.2023р. )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № 1 від 01.09.2023р. )